軋花環(huán)境溫濕度對棉花長度和強(qiáng)度指標(biāo)的影響

袁少琦 張純宇 戴 偉 徐 紅

（新疆大學(xué)，新疆烏魯木齊， 830046）

新疆是我國棉花的主產(chǎn)區(qū)，2018年新疆棉花產(chǎn)量占全國當(dāng)年產(chǎn)量的83.8%［1］，2020年新疆棉花產(chǎn)量516.1萬t，占全國總產(chǎn)量的87.3%。同時(shí)，新疆機(jī)采棉技術(shù)也在快速普及，目前機(jī)采棉大約占80%，但機(jī)采棉的纖維品質(zhì)相比較于進(jìn)口棉還有一定的差距［2］。從各方面尋求改善新疆棉花品質(zhì)的途徑，對提升新疆棉花產(chǎn)業(yè)鏈的競爭力顯得極為迫切。

在棉花加工過程中，軋花車間通常沒有采取密封措施，車間溫濕度隨室外空氣變化波動(dòng)。新疆機(jī)采棉加工時(shí)間一般從10月10號左右開始，到12月份或者次年1月份結(jié)束，在這期間隨著室外溫度的波動(dòng)，軋花車間的溫度一般在25 ℃～-10 ℃左右。中國纖維檢驗(yàn)局［3］在實(shí)驗(yàn)室對5 ℃～40 ℃棉纖維回潮率與相對濕度、溫度的關(guān)系做過模擬研究，結(jié)果顯示棉花回潮率隨溫度下降呈上升趨勢。鑒于新疆地區(qū)棉花軋花季節(jié)低溫氣候的特點(diǎn)，系統(tǒng)研究軋花環(huán)境溫濕度對棉花初加工質(zhì)量的影響，對于改進(jìn)和提升新疆棉花品質(zhì)具有重要的意義。

1 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

1.1 采樣地點(diǎn)和時(shí)間

新疆昌吉州瑪納斯縣某軋花廠，從2020年10月10號到2020年12月10號，對該廠皮清后打包前的機(jī)采棉進(jìn)行采樣，并記錄取棉口對應(yīng)的溫濕度以及棉樣回潮率，采樣期間取棉口溫度范圍在16.4 ℃～-8.1 ℃。軋花廠取樣結(jié)束后，將棉樣送回紡織廠實(shí)驗(yàn)室，在標(biāo)準(zhǔn)溫濕度狀態(tài)下平衡24 h以上，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，采用USTER HVI1000型大容量棉纖維測試儀檢測相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)。

1.2 棉花初加工工藝流程

本試驗(yàn)皮棉取棉口在鋸齒皮清機(jī)之后、皮棉滑道之前的管道檢查口。棉花初加工工藝流程：喂棉→重雜物清理→一道籽棉烘干→鈴殼清理→一道復(fù)式籽棉清理→二道籽棉烘干→二道復(fù)式籽棉清理→復(fù)式鋸齒軋花→氣流皮清→鋸齒皮清→皮棉滑道（加濕）→取樣、打包。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在GB 1103.1—2012《棉花 第1部分：鋸齒加工細(xì)絨棉》中，細(xì)絨棉質(zhì)量指標(biāo)包括品級、長度、馬克隆值、回潮率、含雜率、斷裂比強(qiáng)度、長度整齊度指數(shù)及色澤特征等［4］。本研究選擇棉花上半部平均長度Len、長度整齊度指數(shù)Unf、短纖維指數(shù)SFI、斷裂比強(qiáng)度Str、斷裂伸長率Elg等5項(xiàng)指標(biāo)作為研究對象。有關(guān)軋花環(huán)境溫度t、相對濕度φ、棉花回潮率W及棉花質(zhì)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 軋花環(huán)境溫濕度與測試棉花質(zhì)量指標(biāo)

1.4 分析方法

在棉花加工過程中回潮率對棉花加工質(zhì)量有較大的影響，實(shí)際上棉花回潮率與環(huán)境溫濕度密切相關(guān)，撇開環(huán)境溫度，僅研究棉花回潮率對棉花加工質(zhì)量的影響具有一定的片面性。由于在一定環(huán)境條件下，空氣相對濕度是受溫度制約，即在溫度、相對濕度與回潮率三者的變化中溫度是自變量。我們以溫度為對象，首先分析研究其對環(huán)境相對濕度及棉花回潮率的影響，在此基礎(chǔ)上研究溫度對棉花長度和強(qiáng)度指標(biāo)的影響。

根據(jù)我們所采集的不同環(huán)境溫度對應(yīng)的相對濕度、棉纖維回潮率及纖維長度和強(qiáng)度指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，通過Python軟件進(jìn)行一元高次函數(shù)回歸分析，該方法是研究1個(gè)因變量與1個(gè)或多個(gè)自變量間多項(xiàng)式的回歸分析方法，根據(jù)變化趨勢，選擇適當(dāng)?shù)亩囗?xiàng)式階數(shù)，得到回歸方程式與擬合曲線，可以通過增加自變量階數(shù)進(jìn)行盡可能的逼近，并通過相關(guān)系數(shù)（r）判斷它們之間的相關(guān)性程度，如式（1）所示。

式中：r值的絕對值介于0～1之間。r越接近于1，表示兩個(gè)變量之間的相關(guān)程度就越強(qiáng)；越接近于0，表示兩個(gè)變量之間的相關(guān)程度就越弱。一般|r|取值與相關(guān)程度規(guī)定如下。|r|取值范圍分別為0～0.19、0.20～0.39、0.40～0.69、0.70～0.89、0.90～1.00時(shí)，|r|的意義依次表示為極低相關(guān)、低度相關(guān)、中度相關(guān)、高度相關(guān)、極高相關(guān)。

2 棉花吸濕機(jī)理分析

根據(jù)纖維吸濕機(jī)理，棉纖維在吸濕或放濕過程中，從棉纖維表面到內(nèi)部存在著水分子蒸汽壓力的勢能差。當(dāng)吸濕時(shí)，水汽壓力的勢能外高內(nèi)低；當(dāng)放濕時(shí)，水汽壓力內(nèi)高外低。棉纖維含濕包含兩部分，一部分為表面含濕，另一部分為內(nèi)部含濕。當(dāng)溫度較高時(shí)，水分子活力強(qiáng)，棉纖維吸濕過程中更容易進(jìn)入纖維內(nèi)部，吸濕平衡時(shí)間較短，纖維表面不易積聚水分；當(dāng)溫度過低時(shí)，水分活力降低，棉纖維吸濕能力較差，纖維內(nèi)部幾乎很難吸收水分，纖維表面容易積聚水分，此時(shí)纖維的含濕表面部分較多。這種現(xiàn)象在新疆冬季軋花過程中表現(xiàn)比較突出，低溫高濕環(huán)境，棉纖維吸濕困難，棉花表面潮濕，影響軋花質(zhì)量。

3 溫度與棉花各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)系

3.1 溫度與上半部平均長度的關(guān)系

溫度與棉花上半部平均長度的回歸方程如式（2）所示，兩者關(guān)系的擬合曲線如圖1所示。

式中：Len為棉花上半部平均長度（mm）；t為棉纖維所處環(huán)境溫度（℃）。

在給定的顯著性水平0.05下，r為0.767，屬于高度相關(guān)。由圖1可以看出，溫度在-8.1 ℃～16.4 ℃時(shí)，棉花上半部平均長度先增加后減小。

圖1 環(huán)境溫度與棉花上半部平均長度的關(guān)系

當(dāng)溫度下降到0 ℃附近及以下時(shí)，棉花處于高濕狀態(tài)，雖然棉纖維本身強(qiáng)度增加，但同時(shí)纖維的基部與棉籽的結(jié)合力也增大，軋花困難［5］，另外由于低溫使得棉纖維柔曲性減小、脆性增加，尤其是-5 ℃以下可能還存在冰晶破裂刺傷纖維等，導(dǎo)致棉花上半部平均長度減??；當(dāng)環(huán)境溫度在-8.1 ℃時(shí)，此時(shí)由于冰凍、潮濕等原因，棉纖維的物理機(jī)械性能都很差，纖維纏結(jié)、機(jī)械撕扯導(dǎo)致棉花上半部平均長度最?。划?dāng)溫度在3 ℃～10 ℃時(shí)，環(huán)境相對濕度處于正常范圍時(shí)，棉花上半部平均長度較大；當(dāng)溫度在16.4 ℃時(shí)，環(huán)境相對濕度較低，由于環(huán)境干燥，棉纖維表面干脆，加之軋花速度的增加會損傷纖維，上半部平均長度整體減小。

3.2 溫度與長度整齊度指數(shù)的關(guān)系

溫度與棉花長度整齊度指數(shù)的回歸方程如式（3）所示，兩者關(guān)系的擬合曲線如圖2所示。

式中：Unf為棉花長度整齊度指數(shù)（%）；t為棉纖維所處環(huán)境溫度（℃）。

在給定的顯著性水平0.05下，r為0.615，屬于中度相關(guān)。由圖2可以看出，當(dāng)溫度在-8.1 ℃～16.4 ℃時(shí)，棉花長度整齊度指數(shù)的變化也是先增加后減小。

圖2 環(huán)境溫度與棉花長度整齊度指數(shù)的關(guān)系

當(dāng)溫度在-8.1 ℃附近時(shí)，環(huán)境相對濕度處于潮濕，而且棉纖維可能有冰晶，導(dǎo)致棉花長度整齊度指數(shù)減??；當(dāng)溫度在16.4 ℃時(shí)，環(huán)境相對濕度低，由于干燥，纖維表面干脆，加之較快的軋花速度，長度整齊度指數(shù)減小。需要說明的是，當(dāng)溫度在7 ℃和16.4 ℃附近時(shí)，出現(xiàn)個(gè)別點(diǎn)離回歸曲線較遠(yuǎn)的現(xiàn)象，查閱該數(shù)據(jù)對應(yīng)的軋花速度，發(fā)現(xiàn)此時(shí)軋花速度較該時(shí)間段的平均速度高，這可能是導(dǎo)致該處數(shù)據(jù)低、離散性大的原因。

3.3 溫度與短纖維指數(shù)的關(guān)系

溫度與棉花短纖維指數(shù)的回歸方程式如式（4）所示，兩者關(guān)系的擬合曲線如圖3所示。

式中：SFI為棉花短纖維指數(shù)（%）；t為棉纖維所處環(huán)境溫度（℃）。

在給定的顯著性水平0.05下，r為0.551，屬于中度相關(guān)。由圖3可以看出，溫度在0 ℃左右是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在0 ℃以下，隨著溫度的降低，短纖維指數(shù)迅速增加，尤其是-8.1 ℃這個(gè)點(diǎn)，增加十分明顯，這除了低溫潮濕產(chǎn)生的纏結(jié)以及低溫使得棉纖維柔曲性減小、脆性增加的因素外，還可能存在冰晶破裂產(chǎn)生的刺傷纖維；在0 ℃以上，短纖維指數(shù)隨溫度的增加緩慢增加，這主要是由于軋花速度的提升引起的，但是當(dāng)溫度上升到10 ℃以上時(shí)，進(jìn)入干燥區(qū)，此時(shí)棉纖維強(qiáng)度隨纖維回潮率的降低而降低也是一個(gè)因素。

圖3 環(huán)境溫度與棉花短纖維指數(shù)的關(guān)系

3.4 溫度與斷裂比強(qiáng)度的關(guān)系

溫度與棉花斷裂比強(qiáng)度的回歸方程式如式（5）所示，兩者關(guān)系的擬合曲線如圖4所示。

式中：Str為棉花斷裂比強(qiáng)度（cN/tex）；t為棉纖維所處環(huán)境溫度（℃）。

在給定的顯著性水平0.05下，r為0.620，屬于中度相關(guān)。由圖4可以看出，溫度在-8.1 ℃～16.4 ℃時(shí)，棉花斷裂比強(qiáng)度隨溫度增加而增加。

圖4 環(huán)境溫度與棉花斷裂比強(qiáng)度的關(guān)系

當(dāng)溫度低于3 ℃時(shí)，環(huán)境相對濕度高，基本大于75%，棉纖維間容易纏結(jié)，而且纖維的基部與棉籽的結(jié)合力也增大，軋花困難；當(dāng)溫度下降到更低時(shí)，棉纖維中會出現(xiàn)冰晶，刺傷纖維，導(dǎo)致纖維的斷裂比強(qiáng)度最低。當(dāng)溫度在3 ℃～10 ℃時(shí)，環(huán)境相對濕度在正常范圍，回潮率隨溫度的增加波動(dòng)不大，所以棉纖維的斷裂比強(qiáng)度在增加。當(dāng)溫度高于10 ℃時(shí)，一方面由于棉纖維的柔曲性及脆性改善使得棉花損傷減小，另一方面因環(huán)境相對濕度變低，纖維回潮率降低以及軋花速度的提升，使得棉纖維強(qiáng)力變差，幾個(gè)因素綜合作用，棉纖維斷裂比強(qiáng)度呈現(xiàn)較小的波動(dòng)狀態(tài)。

3.5 溫度與斷裂伸長率的關(guān)系

溫度與棉花斷裂伸長率的回歸方程如式（6）所示，兩者關(guān)系的擬合曲線如圖5所示。

式中：Elg為棉花斷裂伸長率（%）；t為棉纖維所處環(huán)境溫度（℃）。

在給定的顯著性水平0.05下，r為0.562，屬于中度相關(guān)。由圖5可以看出，當(dāng)溫度在-8.1 ℃～16.4 ℃時(shí)，棉纖維斷裂伸長率整體呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。

圖5 環(huán)境溫度與棉纖維斷裂伸長率的關(guān)系

當(dāng)溫度低于3 ℃時(shí)，環(huán)境相對濕度較高，棉纖維回潮率較高，纖維間的纏結(jié)，使得棉纖維斷裂伸長率較??；當(dāng)溫度在3 ℃～10 ℃時(shí)，環(huán)境相對濕度在正常范圍，所以棉纖維斷裂伸長率增加；當(dāng)溫度大于10 ℃時(shí)，環(huán)境相對濕度較低（在40%左右），棉纖維回潮率較低，棉纖維干脆導(dǎo)致斷裂伸長率減小。當(dāng)溫度在15 ℃附近時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)散點(diǎn)離回歸曲線較遠(yuǎn)，查閱該數(shù)據(jù)對應(yīng)的軋花速度，發(fā)現(xiàn)此時(shí)軋花速度高于該時(shí)間段的平均速度，因此這可能是導(dǎo)致該處數(shù)據(jù)偏低的原因。

4 結(jié)論

（1）在整個(gè)軋花季節(jié)，隨著溫度的升高，可根據(jù)環(huán)境的相對濕度將軋花時(shí)間粗略分為潮濕區(qū)（75%以上）、正常區(qū)（50%～75%）和干燥區(qū)（50%以下）。

（2）當(dāng)溫度低于3 ℃后，處于潮濕區(qū)。此時(shí)雖然空氣潮濕，但含濕量卻很低，雖然測得的棉纖維回潮率在全年最高，但棉纖維實(shí)際吸濕較少，附著在棉纖維表面的水分較多，棉纖維表面發(fā)潮，加上低溫帶來的纖維脆性增加等原因，十分不利于生產(chǎn)加工，因此該時(shí)段加工的棉纖維長度和強(qiáng)度指標(biāo)最低。

（3）當(dāng)溫度在3 ℃～10 ℃時(shí)，相對濕度正常，纖維脆性變小，棉纖維的長度和強(qiáng)度指標(biāo)呈現(xiàn)上升趨勢。

（4）當(dāng)溫度高于10 ℃時(shí)，環(huán)境處于干燥狀態(tài)，軋花過程中放濕量較大，導(dǎo)致纖維回潮率偏低，雖然棉纖維的脆性減小、柔曲性增加有利于軋花，但低的回潮率加上較高的軋花速度，導(dǎo)致棉纖維斷裂比強(qiáng)度呈現(xiàn)較小的波動(dòng)，其他長度和強(qiáng)度指標(biāo)有下降趨勢。

（5）因?yàn)槭苊藁ú灰恢滦?、現(xiàn)場取樣車速、環(huán)境溫濕度、烘干量等因素隨機(jī)變化的影響，上述研究結(jié)果相關(guān)性仍有一定局限性，但總體上還是可以看出它們之間的變化趨勢及規(guī)律，對新疆棉花加工工藝的改進(jìn)和優(yōu)化有一定參考價(jià)值。采取控制軋花環(huán)境溫濕度或選擇合適的溫濕度時(shí)間點(diǎn)軋花，有利于提升棉花長度和強(qiáng)度質(zhì)量指標(biāo)。